Provtagning jordar i en heterogen forskning tomt

Summary

Den traditionella jord-acceptansprovning bestämmer antalet jordprover godtyckligt. Här, erbjuder vi en enkel men ändå effektiv klustrade jord-provtagning design att demonstrera jord rumslig heterogenitet och kvantitativt bestämma antalet jordprover som krävs och den associera provtagning noggrannheten.

Abstract

Jordar är mycket heterogena. I allmänhet antalet jordprover som krävs för jord forskning har alltid fastställts godtyckligt och associerade noggrannheten är okänd. Här presenterar vi ett detaljerat protokoll för effektiv och klustrade jord provtagning i en komplott, forskning och, att förlita sig på en pilot provtagning med denna design, för att demonstrera jord rumslig heterogenitet och informera rimliga urvalsstorlekar och associerade noggrannhet för framtida studie. Protokollet omfattar främst fyra steg: provtagning design, fältuppsättningen, analys av jord och geostatistisk analys. Det stegvisa förfarandet har ändrats enligt tidigare publikationer. Två exempel kommer att presenteras för att Visa kontrasterande rumsliga distributioner av organiskt kol i marken (SOC) och mikrobiella biomassan kol i marken (MBC) under olika skötselmetoder. Dessutom presenterar vi en strategi för att bestämma provets storlek kravet (SSR) ges en viss nivå av noggrannhet baserat på områdesnivå variationskoefficienten (CV). Protokollet fältet provtagning och kvantitativ bestämning av urvalets storlek kommer att hjälpa forskare söker genomförbart provtagning strategier för att möta behov av forskning och resursernas tillgänglighet.

Introduction

Jordar är ytterst heterogen biomaterial^1,2. Jord provtagning genomförs för att samla de mest representativa proverna och karakterisera näringsämnen fältets status till en så exakt och billigt som möjligt. Variabilitet i en jord ligger i jord rumslig heterogenitet och noggrannhet av kvantifiering. När rumslig variation i jord inte är beaktas, kan typiska jord provtagning resultera i en betydande avvikelse från sanna medelvärdet av en jord variabel, även om själva jord analysen är mycket exakt³. För en heterogen forskning tomt är variabilitet ofta viktigare än innebär³; det vill säga kommer en provtagning design som korrekt kan mäta både variation och menar att föredra.

När jord rumslig variation är ytterligare ändras på grund av mark förvaltning praxis^4,5,6, är det svårare att bedriva jord provtagning på ett korrekt sätt. Dock oro uppstår också när det gäller de stora variationerna i viktiga jord variabler (t.ex., SOC och MBC)⁷ som sprids för att orsaka dålig begränsningar av viktiga modellparametrar som är avgörande för långsiktiga globala jord modell prognoser under klimat ändra^8,9,10. Eftersom kostnaden för marken provtagning att karakterisera fältet variabilitet är ett centralt problem, söks en enkel, tillförlitlig och effektiv jord provtagningsstrategi.

Det finns många olika metoder att samla representativa jordprover i en komplott, forskning, och sina fördelar och nackdelar sammanfattas i tabell 1. I en traditionell jord-provtagning (dvs.enkla och slumpmässig provtagning), ett slumpmässigt samling av några till mer än 10 jordprover utförs i en forskning tomt. I synnerhet antalet prover i traditionella jord provtagning design bestäms alltid godtyckligt och det associerade urvalsfelet (dvs, noggrannhet) förblir okänd.

Provtagning design	Fördelen	Nackdelen
Enkel och slumpmässig provtagning	Kostnadseffektiv, snabb och billig, allmänt antagna, enkel operation, optimal i homogen webbplats	Låg noggrannhet och hög variation, < 5 prover
Systematisk provtagning	Hög noggrannhet och kända variation, optimal i stor skala heterogena webbplats	Kosta ineffektiva, stora provnumret
Stratifierad provtagning	Korrekt genomsnittlig uppskattning, relativt enkelt handhavande, optimal för klustrade och stratifierat region	Kosta ineffektiva, stora provnumret (vanligtvis mindre än systematisk/grid provtagning)
Compositing	Kostnadseffektiva, korrekt genomsnittlig uppskattning, enkelt handhavande, optimal i heterogena webbplats	Okända fältet variation, > 3 prover för komposit

Tabell 1: fördelar och nackdelar av stora jord provtagning formgivningar antagen i jord forskarsamhället. Tabellen har sammanfattas från Tan et al. ³, Jones¹²och Swenson et al. ¹¹

Jämfört med enkel och slumpmässig provtagning eller montage, kan systematisk och stratifierad provtagning mönster uppnå medel med hög noggrannhet tillsammans med associerade variabiliteten (tabell 1). Dock kommer de att kräva intensiva jord provtagning (t.ex., några 100 prover). Även om riktigheten av, och förtroendet, en jord test nivå ökar med fler jordprover samlas in per tomt¹¹, gäller kravet på ett stort antal jordprover generellt endast för en storskalig studie^5,11 ; Det är väl bortom överkomliga priser för de flesta jord forskningsprojekt som bedrivs på omfattningen av fältet tomter på grund av begränsningar i resurser. En provtagning design föredras att balansera kompromisser av dessa olika metoder.

En nyckelfråga för en jord provtagning design är att bestämma antalet jordprover som krävs och den associerade noggrannhet med tanke på forskningsfrågor och fältförhållanden. Exempelvis är en minskning av antalet jordprover möjligt i mindre störda platser samtidigt fortfarande uppnå samma nivå av precision⁶, vilket tyder på ett behov av att kvantifiera uttryckligen rumslig heterogenitet (dvs, karaktär och förekomst av jord variabilitet) före provtagning³i jorden. I själva verket rekommenderas ingen sådan pilot provtagning i de flesta jord provtagning konstruktioner. Fältet forskare ofta inte inser vikten av uppskattning statistisk power när de utformar experiment.

För att förbättra den experimentella stringens i jord provtagning, presenteras enkel och effektiv provtagningsmetod i denna studie. Den nya designen skall inte bara aktivera korrekt karakterisering av jord näringsnivå och variabilitet men även av redovisning för jord rumslig heterogenitet, ge kvantitativa sätt att informera antal jordprover och associerade provtagning noggrannhet för framtida forskning. Ny jord provtagning design bör hjälpa forskarna att identifiera valfria strategier som passar deras behov med provtagning och forskning. Det övergripande målet med denna metod är att ge jord biogeochemists och ekologer med en kvantitativ och manipulativa strategi att optimera jord provtagning strategier inom ramen för fältforskning.

Protocol

1. klustrade provtagning Design i en komplott

1. Identifiera provtagning zoner inom en forskning tomt. Bestämma antalet fyrkantiga nät med samma längd (dvs, figur 1. (Se figur 3). Baserat på storleken och formen av forskning tomten, målet antalet fyrkantiga nät är väntat till vara sex till tio så att det totala antalet jordprover kontrolleras under 30 inom en tomt (se steg 1.3).
2. Markera mitten av varje rutnät (dvs, centroiden) och skapa en cirkulär provtagningsområdet med en diameter lika med den side längden av fyrkantiga rutnätet.
3. Stå på centroiden i zonen cirkulär med slutna ögon och kasta en liten sten (eller ett annat objekt med vikt) i en slumpmässig riktning och avstånd från centroiden.
   1. Om stenen tappas utanför området cirkulär, gör det igen tills den första provtagning läge identifieras.
4. Upprepa steg 1.3 tills tre slumpmässiga mätplatser erhålls i cirkulär zon.
5. Flaggor på de tre mätplatser och nummer varje flagga (dvs1, 2 och 3).
6. Upprepa steg 1.3-1.5 i alla andra cirkulära provtagning zoner tills alla platser bestäms och numrerade i en sekventiell ordning (dvs.4, 5, 6, etc.).

2. avstånd mätningar och jord samling i en tomt

1. Välja en hörnpunkt och identifiera den som ursprungsland för provtagningsområdet i handlingen.
2. Mäta horisontella och vertikala avstånd av varje flaggade placering i förhållande till ursprunget och registrera dem i en anteckningsbok som x och y koordinater.
3. Använd en jord skruv att ta en jord kärna (0 - 15 cm) från varje flaggade plats och märk påsen utifrån flagga. Upprepa detta steg tills Jord kärnar ur tas på alla flaggade platser.
4. För att minimera påverkan av provtagning (t.ex., trampar på växter och jord i handlingen), se till att påsarna med jordproverna inuti vistelse med deras respektive flagg tills montering alla väskor i handlingen på en gång i slutet av samlingen.
5. Transportera jordproverna i kylare till laboratoriet och bearbeta varje jord kärna på samma dag.
6. Ta bort rötter från varje kärna, sila det genom en 2 mm jordsåll och grundligt homogenisera varje core provet före varje analys.
7. Bestämmer markens vattenhalt i varje prov av ugn-torkning delprover för 24 h vid 105 ° C och marken lufttorkad jord delproverna till ett fint pulver för en totalt kol (C) analys med en elementär analyzer⁴. SOC härleds baserat på fukt och C innehåll.
8. Väga färska jord delproverna (av 10 g vardera) och kvantifiera smutsa MBC av kloroform gasning-K₂så₄ utvinning och kalium persulfatoxidation matsmältningen metoder⁵.
9. Kombinera SOC och MBC datamängd med x och y koordinater baserat på flaggan nummer i handlingen.

3. beskrivande och geostatistisk analyser i en komplott

1. För varje variabel SOC och MBC, beräkna minsta, Max, medelvärde, median, och standardavvikelse, samt variationskoefficienten (CV).
2. För varje variabel, genomföra en uppsättning geospatial analys (dvs, surface trendanalys, autokorrelation och kriging karta) att skildra den primära ytmönster, finskaliga variabilitet och rumsliga fördelning. Detaljer av tillvägagångssätt av geostatistisk analyser kan hittas i tidigare publikationer^4,5.

4. utforskning av SSR och associerade provtagning riktigheten i en komplott

1. Rita den SSR och relativt fel (γ) baserat på CV erhålls i en komplott. Inom varje tomt har de log-omvandlad SSR och relativt fel (γ) ett negativt linjärt samband (ekvationer 1-3). Baserat på förhållandet (ekvation 3), kan antalet prover som krävs för angivna noggrannheten bestämmas:
    
    
   
   Här, CI, , s, n, N, CV, och betecknar den konfidensintervall, tomt medelvärdet, tomt standardavvikelse, antalet stickprov, koefficienten för variation, och relativt fel, respektive; t _0,975 = 1,96. Log-omvandlad prov storlek kravet (N) har ett negativt linjärt samband (dvs, lutning = -2) med log-omvandlad relativa fel (γ).
2. Gäller ovanstående förhållandet för framtida provtagning i en tomt genom att beräkna N i ekvation 3 under en önskad noggrannhet (t.ex., relativt fel [γ]). Eller, för ett givet antal jordprover som redan samlas in i en komplott, gäller förhållandet att härleda associerade noggrannhet.

Representative Results

Metoden ovan har varit anställd i två fallstudier, en i en landsbygdsregion i södra USA och en i mellersta Tennessee.

I landsbygdens södra Piemonte, valdes tre markanvändning typer, inklusive 1) obrukad ek-hickory ädelträskogar, 2) odlade fält där konventionella jordbearbetning och befruktning används årligen att producera vete, sorghum och majs, och 3). Old-Field tallskogar som är vardera ca 50 år i år sedan den senaste odling⁴. Tre självständigt replikerade 30 x 30 m tomter identifierades från området för varje markanvändning. I varje tomt, tillämpades en klusterutformning jord provtagning (figur 1). Varje cirkulär zon hade en 5 m radiellt avstånd från varje centroiden. Tjugosju kärnor samlades in från varje av de nio tomterna, 81 kärnor per markanvändning och 243 kärnor totalt. SOC kvantifierades genom en CHN analyzer. Det stora fyndet var att odlad mark väsentligen homogenizes SOC och andra variabler⁴rumslig heterogenitet. SSR varierade mellan markanvändning med en allmänt stigande ordning som old-field skog > regenereras tallskog > odlad åkermark (figur 2). Undantag är att ett trägolv skog tomt hade en SSR så liten som odlade tomten, och en tall tomt hade en SSR så stor som lövträ tomten (figur 2). Tar γ = 0,1 eller 10% som ett exempel, SSR var 4, 10, och 30 (odlad åkermark), 80, 85, och 300 (tallskog), 25, 200 och 350 (lövträ). Om bara tre jordprover samlades i alla tomter, hade relativa felet varit ~ 10% - 30% (odlad åkermark), ~ 50-80% (tallskog) och ~ 28-100% (lövträ).

Figur 1 : En illustration av en klustrad stickprov design inom en 30 x 30 m forskning tomt på Calhoun experimentell skog, SC, USA⁴. De fyllda cirklarna representerar centroids (n = 9). Den stora streckad cirkeln representerar provtagningsområdet runt en centroiden (radie = 5 m). XS representerar provet platser bestäms från slumpmässigt valda riktningar och avstånd från en centroiden. Denna siffra har ändrats från Li et al. ⁴. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.

Figur 2 : Tomt på prov storlek kravet (SSR) och relativt fel (γ) för SOC lövskog, barrskog och odlad åkermark. Loggskala tillämpades på båda axlarna. De streckade linjerna representerar odlade jordar, grå linjer tallskog smutsar och mörka linjer lövträd skogen smutsar. Tre olika rader för varje markanvändning motsvarar tre replikera tomter. Denna siffra har ändrats från Li et al. ⁴ Klicka här för att se en större version av denna siffra.

I Tennessee State University (TSU) Main Campus jordbruk forskning och förlängning Center (AREC) i Nashville, TN, USA (36.12° N, 36.98° W, höjd 127.6 m) 2011 etablerades ett fält switchgrass experimentera med tre kvävegödsling (N) behandlingar i en randomiserad block-design⁵. Grödan är av 'Highlander' variationen i östra 'Alamo' switchgrass (Panicum virgatum L.). De tre N-behandlingarna ingår ingen N gödselmedel ingång (NN), låg N gödselmedel input (LN: 84 kg N ha-1 i urea), och hög N gödselmedel insignal (HN: 168 kg N ha-1 i urea). Inom varje tomt, ett rektangulärt område med 2,75 x 5,5 m zon identifierades och indelad i åtta kvadratiska nät av 1,375 x 1,375 m. Inom varje cirkulär zon, en centroiden identifierades, och tre kärnor samlades in med en slumpmässig riktning och avstånd i förhållande till varje centroiden (figur 3). Totalt 24 kärnor samlades således från varje 12 tomter, ger 288 Jord kärnar ur. Av MBC i varje kärna kvantifierades genom kloroform gasning-K2SO4 utvinning och kalium persulfatoxidation matsmältningen metoder. Det stora fyndet var att den N-gödsling generellt förbättrade MBC rumslig heterogenitet i de switchgrass odlingsmark. SSR var generellt större med befruktning (figur 4). Ett undantag är att i SSR för en HN tomt var lägre än för NN tomten (figur 4). Tar γ = 0,1 eller 10% som ett exempel, SSR var 10 och 20 i två replikerade tomter (NN), 30 och 50 (LN), och 15 och 70 (HN). Om bara tre jordprover samlades i alla tomter, hade relativa felet varit ~ 20-25% (NN), ~ 26-35% (LN) och ~ 20% - 40% (lövträ).

Figur 3 : Illustration av en klustrad stickprov design inom en 2,75 x 5,5 m tomt i en befruktning experimentella webbplats på Tennessee State University (TSU) Agricultural Research Center i Nashville, TN, USA. De fyllda cirklarna representerar centroids (n = 8) och varje observationsområde bestod av åtta centroids i varje rutnät (av 1,375 x 1,375 m). I varje delyta bestämdes ett cirkelformat område för provtagning av jord. XS representerar provet platser bestäms från slumpmässiga riktningar och avstånd från en centroiden inom varje cirkulär provtagningsområdet (streckad cirkel). Denna siffra har ändrats från Li et al. ⁵ Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 4 : Tomt på prov storlek kravet (SSR) och relativt fel (γ) för MBC under tre befruktning behandlingar. Loggskala tillämpades på båda axlarna. De streckade linjerna representerar odlade jordar, grå linjer tallskog smutsar och mörka linjer lövträd skogen smutsar. NN = ingen N-gödselmedel ingång; LN = låg N gödselmedel ingång; och HN = hög N gödselmedel ingång. Två olika rader för varje markanvändning motsvarar två replikera tomter. Denna siffra har ändrats från Li et al. ⁵. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.

Discussion

Traditionella jord urvalsmetoden saknade en kvantitativ grund och ledde till okänd noggrannhet, medan de mer avancerade provtagning strategierna inblandade intensiva jord samlingar och inducerad oöverkomliga kostnader för de flesta jord forskning på fältet tomt skalan. En enkel, effektiv och tillförlitlig provtagning design bör vara ett användbart verktyg för att balansera båda ovannämnda metoderna och, viktigare, informera en kvantitativa sätt att avgöra det antal som krävs under vissa noggrannhet skull framtida provtagning behov. Sådan provtagning konstruktion saknas dock fortfarande. Här, en metod för att manipulera en klustrad provtagningsmetoder för att kvantifiera jord rumslig heterogenitet presenterades och förlita sig på denna design, meddela antalet jordprover krävs för framtida provtagning under särskild noggrannhet. Det finns två kritiska steg i protokollet. Först är att bestämma provtagning och identifiera provtagningsområdet i en given ritytan. Eftersom den dimensionen och formen på en specifik forskning tomt kan variera från en studie till en annan, bör antalet och längden av fyrkantiga rutnätet som representerar provtagningsområdet ändras för att bäst passa tomt egenskaper och täcka ritytan så mycket som möjligt. I allmänhet bör antalet fyrkantiga nät begränsas till åtta till tio så att 24-30 jordprover kommer att samlas i en viss tomt. Detta mindre intensiv provtagning kravet är godtagbart för en pilotstudie i en komplott. Den andra kritiska steget är att fastställa antalet prov som krävs enligt särskild noggrannhet. Även om antalet jordprover under en önskad noggrannhet kan härledas på utifrån den pilot provtagningsstrategi, behöver andra tillgängliga resurser redovisas (t.ex., arbete, kostnad och personal). Om antalet jordprover som krävs för en önskad noggrannhet överskrider överkomliga, bör önskad noggrannhet sänkas så att antalet jordprover kan omberäknas. Omberäkningarna ska upprepas tills bästa passform uppnås för att balansera önskad noggrannhet och tillgängliga resurser.

Protokollet kan enkelt modifieras för att passa den specifika formen, området och platsen för en forskning tomt. Även inom en oregelbunden tomt eller en mycket stor eller liten ritytan, kan förfarandet utföras genom att kontrollera storleken på fyrkantiga rutnätet för att täcka de flesta av ritytan. Däremot, när jordprover samlas utanför zonen cirkulär provtagning i handlingen, kan de fortfarande redovisas i beskrivande och geostatistisk analys. Flexibiliteten i protokollet är i detta avseende fördelaktigt eftersom det kan, således, minska kostnaden för provtagning.

En viktig begränsning med denna metod är att antalet jordprover som krävs för vissa noggrannhet beror på nivån tomt CV bestäms av en grupp av 24-30 jordprover i pilot mark provtagning. För en ytterst heterogen tomt, 30 prover eller mindre kan producera ett större CV än som baserat på ett större antal prover (> 30). Som ett resultat, blir antalet jordprover som beräknats med samma noggrannhet större. Det vill säga kommer antalet jordprover som krävs för samma noggrannhet överskattas i observationsområdet. För en mycket homogen tomt, kommer att ett mindre antal prover producera ett tomt nivå CV liknar 30 prover, således, vilket resulterar i en överskattning av behovet av resurs. För dessa extremt heterogen eller homogen tomter, kan jord provnumret (dvs30 eller mindre) föreslås i pilot provtagning designen därför orsaka onödiga investeringar i pilot provtagning scenen eller i framtida provtagning.

Vi visar betydande fördelar av den klustrade provtagning markstrategin. Det erbjuder en pålitlig och prisvärd jord provtagningsstrategi för att erhålla jord rumslig heterogenitet och kvantitativa sätt att härleda antalet jordprover som krävs för en viss önskad noggrannhet. Även om den intensiva strip eller stratifierad provtagning kan ge en bättre beskrivning av rumslig variation, är kostnaden för att bedriva sådan provtagning för hög för de flesta studier av jord. Den traditionella provtagningen är godtyckliga och saknar någon kvantitativ grund för provtagning noggrannhet. Det nuvarande protokollet är överlägsen på grund av dess mindre intensiv provtagning krav, lätthet i drift det i fältet makt att avslöja rumsliga mönster använder rigorösa geostatistisk analysmetoder och kapacitet att kvantitativt bestämma stickprovsstorleken ges någon önskad noggrannhet. Kunskap om den urvalsstorlek som krävs för en specifik provtagning noggrannhet gör att forskare att upp strategier sina investeringar i jord provtagning ansträngningar.

Anställa effektiv klustrade provtagningsförfarandet tillåter rigorös testning smutsa rumslig heterogenitet och förbättrar forskarnas kapacitet att genomföra jord provtagning med noggrannhet. Mindre intensiv och kvantitativa beskaffenhet den provtagning markstrategin kommer att aktivera dess bred tillämpning i jord undersökningspaneler. Kravet jord prov för samma provtagning noggrannhet i en komplott, forskning ges sannolikt förändrad jord rumslig heterogenitet under snabba globala förändringar, och kan variera över tiden. Föreslagna provnumret i pilot provtagning utformningen kan variera med olika jordar och ekosystem. Framtida tillämpningar som kan uppstå från detta arbete inkluderar att bestämma provnumret för specifika jordar eller ekosystem. Således behövs ytterligare empiriska arbete på programmet och identifiering av metoden i olika jordar och ekosystem. Långsiktiga och brett program kan hjälpa till att identifiera ett generiskt prov storlek krav för specifika ekosystem, som kan rekommenderas för jord forskare.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Soil auger	AMS	350.05	For soil collection
Screwdriver	Fisher Scientific	19-313-447	For soil collection
Rope	Fisher Scientific	19-313-429	For delineating sampling zone
FatMax 35 ft. Tape Measure	Home Depot	#215880	For measuring distances
Marking flag	Fisher Scientific	S99537	For marking sampling locations
Plastic Zipper Seal Storage Bag	Fisher Scientific	09-800-16	For soil collection
Sharpie	Fisher Scientific	50-111-3135	For soil collection
Marking pencil	Fisher Scientific	50-294-45	For recording data in field
Lab notebook	Fisher Scientific	11-903	For recording data in field
ArcGis 10.3	ESRI		For producing kriging map
Sieve	Fisher Scientific	04-881G	For sieving soil sample